EP0097549B1

EP0097549B1 - Dispositif pour réaliser l'étanchéite d'un moteur immergeable et moteur s'y rapportant

Info

Publication number: EP0097549B1
Application number: EP83401074A
Authority: EP
Inventors: Marcel Arnaudeau; Pierre Morin; Jean Fouin; Michel Galais; Christian Sardain
Original assignee: Moteurs Leroy Somer SAS
Current assignee: Moteurs Leroy Somer SAS
Priority date: 1982-06-04
Filing date: 1983-05-27
Publication date: 1986-08-27
Also published as: EP0097549A1; FR2528255A1; FR2528255B1; US4575315A; ES522837A0; NO831813L; DE3365622D1; DE97549T1; ES8406813A1

Description

La présente invention concerne un dispositif pour réaliser l'étanchéité d'un moteur immer- geable.
L'invention concerne également un moteur utilisant ce dispositif, destiné à fonctionner en immersion totale et permanente, notamment pour l'entraînement de pompes en puits forés.
Un tel moteur électrique est logé dans une enceinte cylindrique et généralement accouplé à une pompe axiale. Cette enceinte comprend, pour la sortie d'arbre du moteur, une garniture tournante, dont une pièce est solidaire de l'arbre, l'autre étant solidaire de l'enceinte.
L'enceinte est remplie d'une huile prévue notamment pour assurer la lubrification des paliers du moteur et le refroidissement des enroulements, et pour homogénéiser la température. Il est prévu, dans certains types de moteurs, d'assurer une circulation de cette huile au moyen d'un pompage.
Le moteur peut comporter une réserve d'huile contenue dans un réservoir à volume variable en contact avec le milieu extérieur, de manière à réaliser une «équipression» entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte.
Cependant, le fonctionnement en équipression est en général incompatible avec la bonne tenue de la garniture tournante. Le liquide pompé contient en effet toujours des impuretés minérales qui peuvent s'introduire entre les deux parties coopérantes de la garniture et provoquer sa destruction rapide.
On a tenté de résoudre ce problème en établissant une surpression d'huile contenue dans le moteur sur la garniture, de manière à ménager une fuite d'huile vers l'extérieur du moteur en balayant les impuretés. Cette surpression peut être obtenue au moyen d'un piston actionné par un ressort, la course du piston définissant la durée d'utilisation du groupe. L'inconvénient de cette solution est de faire apparaître, au début du fonctionnement, une surpression importante, qui provoque un important débit de fuite. De plus, les variations de température du fluide moteur (qui sont importantes lors des arrêts du groupe de pompage) provoquent des variations de volume entraînant un mouvement de va-et-vient du piston. L'étanchéité entre le piston et son enveloppe est peu à peu détruite par suite de la corrosion du système en contact avec le liquide pompé. En outre, les durées d'utilisation ainsi obtenues sont notablement diminuées.
On a également envisagé de maintenir le boi- tier étanche sensiblement en équipression avec le milieu extérieur et de créer une surpression locale au niveau d'une garniture tournante entourant l'extrémité de sortie de l'arbre moteur. En particulier, le document US-A- 2 002 916 décrit un dispositif d'étanchéité de ce type. Toutefois, d'après l'enseignement de ce document, la surpression au voisinage de la garniture tournante est créée par une roue de pompage centrifuge relativement éloignée de la garniture tournante. La surpression au niveau de la garniture tournante va donc être très sensible à la vitesse de rotation du moteur.
La présente invention vise à réaliser un dispositif d'étanchéité pour un moteur dans lequel la garniture tournante soit préservée par l'application d'une surpression sensiblement constante dans des conditions optimales.
Ce résultat est obtenu, suivant l'invention, en prévoyant un dispositif pour assurer l'étanchéité d'un moteur immergé dans un milieu extérieur, ce moteur comprenant une enceinte, un arbre ayant une extrémité de sortie s'étendant à travers une extrémité de l'enceinte, cet arbre supportant au moins un rotor adapté à coopérer avec un stator solidaire de l'enceinte, l'enceinte comportant une garniture tournante pour l'extrémité de sortie de l'arbre, l'enceinte étant remplie avec un liquide de lubrification et de refroidissement sous pression et comportant des moyens étanches pour maintenir la pression générale dans l'enceinte à une valeur sensiblement égale à celle du milieu extérieur, ce dispositif comportant un premier circuit créant une surpression dans une zone adjacente à la garniture tournante caractérisé en ce qu'il comporte un second circuit pour créer une surpression additionnelle dans cette zone.
Ainsi, le second circuit de surpression réalisé, par un faible écart de pression supplémentaire, une surpression totale régulière et importante par rapport à la pression générale dans l'enceinte. De plus, la réalisation d'un dispositif à deux circuits permet de séparer les fonctions de lubrification et de refroidissement interne du moteur électrique d'une part qui nécessitent un débit notable et d'autre part la fonction de pressurisation de la garniture qui nécessite une surpression élevée mais un débit faible. Ainsi au voisinage de la garniture, du fait du faible débit, se trouvent réduits au minimum les effets de turbulence et oscillations de pression associées provoquant une augmentation de la fuite vers l'extérieur.
Selon une version avantageuse, le dispositif comporte un disque de butée calé sur l'arbre adapté pour assurer à la fois le positionnement axial de l'arbre moteur et former le premier et le second circuit par des canaux radiaux percés dans l'épaisseur de l'arbre, une première série de ces canaux constituant le premier circuit, faisant communiquer un canal coaxial à l'arbre avec un espace périphérique en relation avec les deux circuits, et une seconde série de canaux formant le second circuit et constituant des moyens de circulation de ce second circuit.
Ce disque remplissant tout à la fois les trois fonctions (butée, pompe du premier circuit, pompe du second circuit) est particulièrement compact et réduit encore l'encombrement longitudinal du moteur.
D'une manière intéressante, le moteur comporte des moyens pour que le liquide protecteur circulant dans les canaux assure le refroidissement du disque de butée utilisé comme système de pompage.
Cette disposition permet de refroidir la butée sans avoir à prévoir un circuit supplémentaire, puisque l'huile circule à l'intérieur de canaux ménagés dans cette butée; son refroidissement est ainsi particulièrement efficace.
Il est avantageux de prévoir à l'extérieur de l'enceinte, et à proximité immédiate de la garniture d'étanchéité de l'arbre, une pièce de protection calée sur l'arbre du côté extérieur de la garniture mécanique tournante par rapport à l'enceinte, cette pièce de protection présentant un rebord périphérique s'étendant au voisinage de l'enceinte pour constituer, avec cette enceinte, un joint labyrinthe à effet centrifuge.
Cette disposition permet d'éliminer la majeure partie des impuretés pouvant avoisiner l'extérieur de la garniture d'une part par l'effet de chasse centrifuge qu'elle permet et d'autre part du fait que la fuite de la garniture lave le volume compris entre cette garniture et cette pièce de protection.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs:

- la fig. 1 est une vue longitudinale tronquée, avec demi-coupe, du moteur et du raccordement étanche avec la pompe;
- la figure 2 est une vue en coupe agrandie de la zone du raccordement étanche, suivant II-II de la figure 3;
- la figure 3 est une vue en coupe transversale suivant III-III de la figure 2.

En référence à la figure 1, le moteur de la motopompe comprend un arbre 1 porté par un certain nombre de paliers 2, sur lequel sont calés un certain nombre de rotors 3 coopérant avec un stator solidaire d'une enceinte 5.
L'arbre 1 est forcé sur presque toute sa longueur d'un canal axial 6 qui débouche à l'extrémité 7 de l'arbre opposée à l'extrémité 8 qui s'accouple à l'arbre de la pompe (non représenté).
Vers son extrémité 8 voisine de la pompe, l'arbre 1 porte un disque 9 (figures 2 et 3) calé sur lui et prenant appui sur des sabots 11 de butée axiale. Ce disque est logé dans une cavité de l'enceinte 5 ménageant autour de lui un espace périphérique 12 et il est percé dans son épaisseur d'une première série de canaux radiaux 13 qui débouchent d'une part dans cet espace périphérique et d'autre part dans un évidement annulaire 14 en relation avec des canaux radiaux 15 de l'arbre 1 débouchant dans le canal axial 6 de cet arbre.
L'enceinte 5 étant remplie d'huile, on comprend que, par l'effet centrifuge dû à la rotation du disque 9, une circulation d'huile s'établit à travers le stator et les rotors, vers la gauche de la figure 1, le retour s'effectuant par le canal axial 6, et l'espace périphérique 12 constituant la zone à haute pression du circuit. Ce premier circuit d'huile est représenté par une flèche simple sur les figures 2 et 3.
Une réserve d'huile de volume variable en communication avec lemoteurest logée à la partie inférieure de celui-ci entre l'enceinte 5 et une membrane souple annulaire 16, cette membrane étant en contact avec le milieu extérieur, de manière à réaliser une égalité de pression entre ce milieu extérieur et la partie de l'enceinte la plus éloignée de la pompe.
Une pièce intermédiaire 17 relie l'enceinte 5 du moteur à un corps de pompe 18. Dans cette pièce est fixée une bague d'appui 19 sur laquelle repose la partie fixe 21 a d'une garniture tournante 21 par l'intermédiaire d'un joint annulaire 22. La partie mobile 21 b de cette garniture estfixée sur l'arbre 1 par l'intermédiaire d'un joint annulaire 23 et elle est appliquée sur la partie fixe au moyen d'un ressort 24 prenant appui sur un épaulement 25 de l'arbre. Au voisinage de la garniture, la pièce 17 présente une cavité 26.
Le disque 9 comporte une seconde série de canaux radiaux 27 pratiqués dans son épaisseur et débouchant d'une part dans l'espace périphérique 12 et d'autre part dans autant de canaux longitudinaux 28 pratiqués dans un manchon 29 qui prolonge le disque vers la sortie d'arbre.
Les canaux 28 débouchent dans une cavité 31 de la pièce 17 qui communique avec la cavité 26 par des canaux 32 en barillet. D'autres canaux 33, également en barillet, font communiquer l'espace périphérique 12 avec la cavité 26. On est donc en présence d'un second circuit d'huile (représenté par une flèche double sur les figures 2 et 3), dans lequel l'huile, partant de l'espace 12 sous l'effet de la rotation du disque, atteint la cavité 26 pour passer au voisinage de la garniture 21 et revenir par les canaux 32. Un déflecteur 34 placé dans la cavité 26 oblige l'huile à passer très près du plan de coopération des deux parties de la garniture.
Ce second circuit d'huile possède en commun avec le premier l'espace périphérique 12 où l'huile des deux circuits se mélange, ce qui procure un effet de refroidissement de la garniture.
D'autre part, en raison de la perte de charge dans l'entrefer entre stators et rotors qui constitue le retour du premier circuit, la rotation du disque 9 engendre une surpression dans l'espace périphérique 12, par rapport au canal axial 6, lui- même sensiblement à la pression du milieu ambiant par le système d'équilibrage situé à la partie inférieure du moteur. Cette surpression se transmet à la cavité 26 par les canaux 33. Dans l'exemple décrit, le premier circuit est réalisé de manière qu'au voisinage de la garniture cette surpression soit de l'ordre du bar.
Sous l'effet de cette surpression, les deux parties de la garniture laissent passer un débit de fuite qui, dans ces conditions, est de l'orde du cm³/h et est automatiquement remplacé dans l'enceinte par prélèvement permanent sur la réserve ménagée à la partie inférieure du moteur.
Ce débit très faible de fluide propre permet un fonctionnement dans des conditions optimales de plusieurs milliers d'heures sans avoir à remonter la motopompe pour rechargement, eu égard au volume de la réserve.
La faiblesse du débit a encore pour avantage de n'écarter que très peu les deux parties de la garniture, de sorte que, pratiquement, elles ne cessent jamais de coopérer dans les conditions prévues.
Malgré sa faiblesse, ce débit est suffisant pour empêcher l'intrusion de toute particule solide provenant du liquide pompé et susceptible de venir au contact des faces de frottement de la garniture.
L'invention permet ainsi de réaliser un débit de fuite déterminé à l'avance et constant pendant toute la durée de la réserve d'huile.
Une pièce de protection 35 est calée sur l'arbre 1 du côté extérieur de la garniture 21 par rapport à l'enceinte 5. Cette pièce comporte un rebord périphérique 36 qui s'étend jusqu'au voisinage de l'enceinte. En outre, ce rebord épouse de près la forme de la bague d'appui 19 four former un joint labyrinthe constituant une barrière dynamique s'opposant à la pénétration éventuelle d'impuretés au contact de la garniture.
Des canaux radiaux 37 sont pratiqués dans l'enceinte 5, vis-à-vis du joint labyrinthe, pour l'évacuation de la fuite d'huile.
Le mot «huile» doit être considéré comme désignant tout liquide de lubrification et/ou de refroidissement.

Claims

1. Dispositif pour assurer l'étanchéité d'un moteur immergé dans un milieu extérieur, ce moteur comprenant une enceinte (5), un arbre (1) ayant une extrémité de sortie (8) s'étendant à travers une extrémité de l'enceinte (5), cet arbre (1) supportant au moins un rotor (3) adapté à coopérer avec un stator solidaire de l'enceinte (5), l'enceinte comportant une garniture tournante (21) pour l'extrémité de sortie (8) de l'arbre (1), l'enceinte étant remplie avec un liquide de lubriffica- tion et de refroidissement sous pression et comportant des moyens étanches (16) pour maintenir la pression générale dans l'enceinte à une valeur sensiblement égale à celle du milieu extérieur, ce dispositif comportant un premier circuit (7, 6, 13, 15) créant une surpression dans une zone (12, 26) adjacente à la garniture tournante (21) caractérisé en ce qu'il comporte un second circuit (32, 28, 27) pour créer une surpression additionnelle dans cette zone (12, 26).

2. Dispositif conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que le premier et le second circuit comprennent des moyens de pompage (13, 15, 28, 27) à effet centrifuge fixés à l'arbre (1).

3. Dispositif conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens étanches comprennent un volume variable relié à l'enceinte (5) et comprenant une membrane souple (16) en contact avec le milieu extérieur.

4. Moteur équipé d'un dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un disque de butée (9) calé sur l'arbre (1) adapté à assurer le positionnement axial de l'arbre moteur et à former le premier et le second circuit par des canaux radiaux (28, 27, 15, 13) percés dans l'épaisseur de l'arbre moteur, une première série (15,13) de ces canaux constituant le premier circuit, faisant communiquer un canal (6) coaxial à l'arbre (1) avec un espace périphérique (12) en relation avec les deux circuits, et une seconde série (28, 27) de canaux formant le second circuit et constituant des moyens de circulation de ce second circuit.

5. Moteur conforme aux revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour que le liquide protecteur circulant dans les canaux (13) et (28, 27) assure le refroidissement du disque de butée (9) utilisé comme système de pompage.

6. Moteur conforme aux revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour que le liquide protecteur de l'espace périphérique (12) en relation avec les deux circuits soit constamment renouvelé par mélange dudit liquide avec le liquide provenant de la zone basse pression à température voisine de celle du milieu extérieur par le premier circuit (7, 6, 13, 15, 12).

7. Moteur conforme à l'une des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce de protection (35) calée sur l'arbre du côté extérieur de la garniture mécanique tournante (21) par rapport à l'enceinte (5), cette pièce de protection (35) présentant un rebord périphérique (36) s'étendant au voisinage de l'enceinte pour constituer, avec cette enceinte, un joint labyrinthe à effet centrifuge.